工程热力学(王修彦)课件.ppt

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1、工程热力学课件2015年1月第八章气体和蒸汽的流动(GasandSteamFlow)一.简化工程中有许多流动问题需考虑宏观动能和位能，特别是喷管(nozzle; jet)、扩压管(diffuser)及节流阀(throttlevalve)内流动过程的能量转换情况。§8–1稳定流动的基本方程式稳定一维可逆绝热层流紊流二.稳定流动基本方程1.质量守恒方程（连续性方程）continuity equation1122p1T1qm1cf1p2T2qm2cf22.过程方程注意，若水蒸气，则3.稳定流动能量方程—steady-flow energy equation4.音速方程等熵过程中

2、所以？注意：1）音速是状态参数，因此称当地音速如空气，2）水蒸气当地音速3）马赫数(Mach number)subsonicvelocitysupersonicvelocitysonicvelocity绝热滞止(stagnation)定义：气流掠过物体表面时，由于摩擦、撞击等使气体相对于物体的速度降低为零的现象称为滞止现象。滞止发生时气体的温度及压力都要升高，致使物体的温度及受力状况受到影响。忽略滞止过程中的散热，则可认为过程为绝热滞止过程。绝热滞止状态下气体的状态参数称为绝热滞止参数或简称为滞止参数。可见，绝热滞止焓等于绝热流动中任一位置气体的焓和流动动能的总和，因此也

3、称总焓。水蒸气：其他状态参数理想气体、定比热时的滞止参数：绝热滞止温度：绝热滞止时气体的温度称为绝热滞止温度，用T0表示，当比热容为定值时，由焓和温度的关系，可得例如，如飞机在–20℃的高空以Ma=2飞行，其T0=182.6℃。航天飞机返回大气层时Ma更大。可见，cf↑→T0↑。因而，当设计在高速运动的装置时和测量高速气流的温度时，必须考虑气体的滞止温度的影响。§8–2促使流速改变的条件一.力学条件因为流动可逆绝热，所以且能量方程故力学条件讨论：喷管扩压管2）是压降，是焓（即技术功）转换成机械能。的能量来源1）二.几何条件力学条件过程方程连续性方程几何条件讨论：1）cf

4、与A的关系还与Ma有关，对于喷管渐缩喷管—convergent nozzle当Ma>1时，dcf>0→dA>0，采用渐扩喷管；截面上Ma=1，cf=c，称临界截面(minimum cross-sectionalarea)[也称喉部(throat)截面]，临界截面上速度达当地音速(velocity of sound)称临界压力(critical pressure)，临界温度及临界比体积192）当促使流速改变的压力条件得满足的前提下：a）收缩喷管(convergentnozzle)出口截面上流速cf2,max=c2（出口截面上音速）b）以低于当地音速流入渐扩喷管(diverg

5、entnozzle)不可能使气流可逆加速。c）使气流从亚音速加速到超音速，必须采用渐缩渐扩喷管(convergent-divergentnozzle)—拉法尔(Lavalnozzle)喷管。3）背压(back pressure)pb是指喷管出口截面外工作环境的压力。正确设计的喷管其出口截面上压力p2等于背压pb，但非设计工况下p2未必等于 pb4）对扩压管(diffuser)，目的是p上升，通过cf下降使动能转变成压力势能，情况与喷管相反。归纳：1）压差是使气流加速的基本条件，几何形状是使流动可逆必不可少的条件；2）气流的焓差（即技术功）为气流加速提供了能量；3）收缩喷管

6、的出口截面上流速小于等于当地音速；4）拉法尔喷管喉部截面为临界截面，截面上流速达当地音速，5）背压pb未必等于p2。§8–3喷管计算一.流速计算及分析1.计算式注意：a）公式适用范围：绝热、不作功、任意工质b）式中h单位是J/kg，cf是m/s，但一般资料提供h单位是kJ/kg，要转化成J/kg。2.初态参数对流速的影响：为分析方便，取理想气体、定比热，但结论也定性适用于实际气体。分析：但cf，max不可能达到摩擦从1下降到0的过程中某点该点即为临界点，此点上压力pcr与p0之比称临界压力比(critical pressure ratio; throat-to-stagn

7、ation of pressure)，用νcr表示讨论：1）理想气体水蒸气随工质而变理想气体定比热双原子过热水蒸气湿蒸汽3）由于几何条件约束，临界截面只可能发生在dA=0处，考虑到工程实际：收缩喷管—出口截面缩放喷管—喉部截面另：与上式是否矛盾？3.背压pb对流速的影响a）收缩喷管：b）缩放喷管：二.流量计算及分析1.计算式通常收缩喷管—出口截面缩放喷管喉部截面出口截面其中2.初参数对流量的影响分析：a）三.喷管设计据初参数p1，v1，T1背压pb功率喷管形状几何尺寸1.外形选择首先确定pcr与pb关系，然后选取恰当的形状2.